Тема 2. Теоретичні аспекти екології. Сутність природних факторів і антропогенних проблем довкілля Методологічні рекомендації

Вивчення теми необхідно починати із вивчення оболонки Землі і життя на ній. Необхідно усвідомити основні функції живої системи, рівнів організації живої системи, рівнів організації живої матерії. Необхідно згадати фундаментальні закони термодинаміки (перший і другий закони термодинаміки).

Необхідно вивчити і визначити екологічні фактори середовища та як вони впливають на навколишнє середовище, включно і на помешкання живих істот. Важливим є усвідомлення матеріалу про живу речовину. Адже сукупність усіх живих організмів на планеті В.І. Вернадський назвав „живою речовиною”, адже жива речовина – невід’ємна складова біосфери, що об’єднує всі її компоненти в єдине ціле. Вивчаючи цю тему студенти повинні розуміти вчення про екосистеми, які запропонував у 1935 році англійський ботанік А.Тенслі. Словом, щоб пізнати проблеми екології необхідно усвідомити еволюцію розвитку екології, взаємозв’язок компонентів екосистеми. Окремим випадком еволюції екосистем є сукцесія. Зазначимо, що сукцесія – це послідовна зміна екосистем на одній і тій самій території під впливом природних факторів або діяльності людини.

2.1. Методичні поради до вивчення теми „Теоретичні аспекти екології. Сутність природних факторів і антропогенних проблем довкілля” Перелік питань

1. Становлення біосфери та її характеристика.

2. Жива речовина.

3. Екологічні фактори середовища.

4. Екосистеми.

5. Сутність та класифікація природних факторів і антропогенних проблем довкілля.

2.1 Становлення біосфери та її характеристика

Біосфера (грец. bios – життя, sphaira - куля) – оболонка Землі, в якій існує життя. Цей термін вперше запропонував австрійський геолог Едвард Зюсс у 1873 році. Цілісне вчення про біосферу було створене видатним вітчизняним ученим В.І. Вернадським.

До складу біосфери входять такі частини геосфери:

• нижня частина атмосфери – від поверхні Землі до озонової оболонки, тобто до висоти близько 25-30 км. Атмосфера складається із суміші газів (азот – 78%, кисень – 21%, аргон – 0,93%, діоксид вуглецю – 0,03 %, інші гази - менше 0,005% за об’ємом) та колоїдних домішок(пил, краплі води, кристали тощо);

• вся гідросфера – водна оболонка, яка покриває 2/3 поверхні планети (її найбільша глибина – у Марсіанській впадині в Тихому океані – 11030 м). Більше 40% води міститься в земних надрах (у літосфері). Об’єм гідросфери складає близько 137 * 10⁷ км³ , а хімічний склад наближається середньому до складу морської води. Із загальної маси води близько 98% знаходить в океанах і морях, 2% її загальної кількості складають прісні води;

• верхня частина літосфери – верхня „тверда” оболонка Землі, яку складають земна кора та верхня частина мантії Землі. Товща літосфери становить 50-200 км, у тому числі земної кори – до 75 км на континентах і 10 км під дном океану.

Між літосферою, гідросферою і атмосферою постійно відбувається речовинний і енергетичний взаємообмін, проявом якого є, зокрема, землетруси і виверження вулканів.

Усі ці сфери є складовими середовища, у якому існують всі живі організми планети. Ці організми, у свою чергу, не лише існують у біосфері, а й є її творцями. За В.Вернадським, жива речовина – це біогеохімічний фактор планетарного масштабу, під дією якого відбувається перерозподіл, міграція і розсіювання хімічних елементів.

Між живим і неживим непереборної межі не існує. Живою називають динамічну систему, яка активно сприймає і перетворює молекулярну інформацію з метою самозбереження.

Основна функція живої системи – самозбереження шляхом випереджального реагування. Для відновлення і збереження енергії в системі необхідне надходження енергії ззовні, з навколишнього середовища, та обмін речовин і енергії – метаболізм. У метаболізмі поєднані процеси асиміляції і дисиміляції (синтезу і розпаду) речовин. Наявність програми відтворення у вигляді дезоксирибонуклеїнової кислоти(ДНК) та її висока стабільність порівняно з іншими структурами біологічної системи зумовлюють спадковість. Під впливом змін екологічних чинників спадковість може змінюватися, відбуваються мутації – індуковані зміни в генетичному апараті.

Успадковані зміни та їх відбір під впливом екологічних чинників зумовлюють видоутворення і збільшення біологічного різноманіття. Різноманіття видів забезпечує більшу ймовірність збереження життя завдяки існуванню найкраще пристосованих до змін довкілля форм, тобто відбувається біологічна еволюція.

Нині виділяють шість основних рівнів організації живої матерії:

• молекулярно-генетичний – редуплікація генів, формування ідентичних молекул на основі матеріалів, що забезпечують спадковість і мінливість;

• організмений – цілісність функцій, ріст, онтогенетичний розвиток;

• клітинний;

• популяційно-видовий – еволюція, тривале існування, таксономічні характеристики;

• біоценотичний – трофічні, хімічні, енергетичні зв’язки, кругообіг хімічних елементів, перетворення енергії;

• біосферний – форма життя, яка поза біосферою не існує.

Кожний з цих рівнів має особливості, але всі вони тісно пов’язані між собою, взаємно впливають один на одного, створюючи єдине ціле – живу речовину. На всіх структурних рівнях організації матерії реалізована лише дуже незначна частка можливих комбінацій молекул. Це означає, що кожний біологічний вид, кожна жива істота є унікальними, оскільки вони мають набір властивостей, за допомогою яких ефективно адаптуються до навколишнього середовища та його змін.

Біосфера є відкритою термодинамічною системою. Енергію вона отримує від Сонця і з надр Землі. Отримана ззовні енергія трансформується і розсіюється, підпорядковуючись двом фундаментальним законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки – це закон збереження енергії(енергія не може ні з’явитися, ні зникнути, вона лише трансформується з однієї форми в іншу ). Другий закон термодинаміки напрямок якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу(закон описує співвідношення корисної та марної роботи під час трансформації форм енергії). За другим законом термодинаміки будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості – теплоту – і призводить до зростання ентропії(збільшення енергії найнижчої якості, не придатної до корисної роботи, тобто розсіювання енергії).

Вважають, що еволюція біосфери відбувалась у напрямку зменшення ентропії. Чим довшими є ланцюги живлення, тим вони енергетично досконаліші. Саме завдяки ланцюгам живлення в біосфері постійно відбувається не лише кругообіг води та обмін енергії, а й кругообіг речовин, які живі організми використовують для побудови і підтримання життєдіяльності своїх тіл та забезпечення процесів розмноження.

Усього відомо близько 80 хімічних елементів, необхідних біоті. З продуктами життєдіяльності або після смерті ці елементи повторно потрапляють у довкілля і знову використовуються іншими організмами(постійний кругообіг речовин). Хімічні елементи, які зазвичай використовуються у великих кількостях(не менше як 0,01% загальної маси організму), - це макроелементи: С, Н, N, O, Na, P, S, K, Mg, Ca. Во6ни вибираються організмами з довкілля, поглинаються і концентруються в клітинах. Елементи, потрібні організмам у менших кількостях(до 0,01%), називають мікроелементами: Cr, Mn, Fe, Cu, Mo, Zn, B, I, F, Se та ін. Отже, до біогенних елементів (їх 22) відносять хімічні елементи, що постійно присутні в складі всіх організмів. Деякі з біогенних елементів входять до складу організмів як мікроелементи (Fe, I, F). В організмі біогенні елементи утворюють біомолекули, що ускладнюються в процесі обміну речовин(метаболізму). Нестача біогенних елементів в організмі призводить до порушення певних функцій в організмі.

Великий і малий кругообіг речовин (насамперед води, вуглецю, азоту, фосфору, сірки, калію, магнію, кальцію) – життєво важливі процеси біосфери, вони мільйони років не порушувалися, поки діяльність людини не набула планетарного характеру. За минуле століття, особливо в останні його десятиліття, антропогенна діяльність призвела до значних порушень кругообігу речовин у біосфері, розвитку глобальної екологічної кризи. Саме діяльність людини значно прискорила процеси вивітрювання гірських порід, зумовила накопичення в атмосфері такої кількості газів, яка спричинила розвиток негативних кліматичних змін(парниковий ефект), появу озонових дір та кислотних дощів, деградацію ґрунтів через надмірне накопичення в них токсичних хімічних сполук. Внаслідок збільшення в природних водах, повітрі і ґрунтах концентрації важких металів, нафтопродуктів, пестицидів деградують і гинуть екосистеми, уповільнюються процеси кругообігу речовин у біологічному циклі, частішають випадки “цвітіння” вод внаслідок масового розмноження мікроскопічних водоростей не тільки ставків, водосховищ, а й Світового океану, що обумовлює порушення функціонування екосистем. Людина також створює у величезних кількостях речовини, які не можуть бути залучені до біологічного кругообігу(пластмаси, поліетилен тощо), оскільки не розкладаються в біосфері.

Накопичення в атмосфері вуглекислого газу, спричинене людською діяльністю, може призвести у найближчий час до потепління, танення льодовиків та підйому рівня води в океанах більш ніж на 100 м, тобто до порушення стійкості біосфери.

Для існування і діяльності людини стійкість біосфери має надзвичайне значення:

• біосфера є не тільки джерелом ресурсів для людини, а й приймачем відходів її виробництва та життєдіяльності. Це складна система(фундамент життя), у якій біота сама забезпечує стабільність навколишнього середовища;

• біота має граничну господарську ємність, перевищення якої порушує стійкість біоти і довкілля;

• у межах господарської ємності біосфера і екосистеми функціонують згідно з принципом Ле Шательє, швидко відновлюють усі порушення рівноваги в довкіллі, залишаючи його стійким. Здатність до відновлення в абсолютних величинах, як і межа господарської ємності, змінюються від ландшафту до ландшафту залежно від продуктивності біоти: у пустелях вона найменша, у лісах – найбільша.

Перевищення господарської ємності зумовлює порушення біологічного кругообігу речовин, деградацію екосистем, забруднення довкілля. У свою чергу, забруднення і руйнування навколишнього середовища призводить до загибелі багатьох видів організмів.

Головне завдання людини – збереження і відновлення природних угруповань організмів у таких масштабах, які забезпечать господарську ємність біосфери в цілому. Межу зростання людства визначає господарська ємність біосфери, верхнім порогом якої є переведення в антропогенний канал понад 1% чистої первинної продукції біоти в результаті фотосинтезу; перевищення цього порогу призведе до глобальної екологічної катастрофи і розпаду геному людини, наслідком чого буде зникнення її як виду.

Таким чином, найважливішими рисами біосфери є існування в її межах живої речовини і постійний матеріально-енергетичний обмін з космосом. Наявність життя – це головне, чим відрізняється Земля від інших планет Сонячної системи.